矩形超高层建筑横风向脉动风力.Ⅰ:基本特征

阐述系列论文的第一部分。对7个矩形截面超高层建筑模型进行了同步测压风洞试验。研究了横风向风力系数的根方差、功率谱密度、竖向相关性系数和相干函数的基本特征。通过对比不同厚宽比、不同风场的试验结果,研究了这两个参数对横风向脉动风力的影响效果。研究结果表明,厚宽比的影响效果最为显著,厚宽比不同,横风向脉动风力的作用机理可能也有所不同。     

格构式塔架风力特性试验研究

摘 要 本文应用高频测力天平技术,对格构式输电塔塔身模型进行了不同紊流度下的风洞试验,研究其风力特性。结果表明风场对塔架结构的平均风力系数影响较小,塔架结构平均风力以顺风向风力为主,顺风向的脉动风力大于横风向,扭转脉动力可以忽略不计。同时还对比了不同国家规范中关于格构式塔架平均阻力系数的规定。谱分析表明,塔架结构顺风向主要表现为来流紊流激励;横风向力谱较为复杂,可能存在复杂的激励机制;塔架扭转功率谱是一明显的宽频谱,较顺、横风向功率谱值小很多,且随紊流度谱值变化不大。相干性分析表明,塔架结构横风向基底剪力与基底扭矩的相干性较强,紊流度对其影响不大。
     

输电塔塔线体系风振响应分析

基于风洞试验得到的输电塔线性一阶广义荷载谱,推导了一般性的输电塔顺风向、横风向脉动风荷载功率谱公式。利用此功率谱,模拟了塔线体系顺风向、横风向脉动风荷载。对输电塔线体系及单塔的动力特性进行了分析,分析表明,在远低于单塔同阶振型的自振频率时,塔线体系中的输电塔平面外振型就会与导地线振动耦合。对单塔及输电塔-线体系进行非线性动力时程分析,得到了位移、加速度和内力等响应的时程,对比了有、无横风向脉动风荷载的风振响应,并分析了风振响应的功率谱。     

基于扭转强迫振动风洞试验的矩形截面高层建筑三维风荷载研究

为了研究扭转振动对高层建筑三维气动力的影响,利用扭转强迫振动装置,通过多点测压风洞试验测试了三个矩形截面高层建筑模型在不同试验风速和不同扭转振幅情况的表面风压时程。进而讨论了结构顺风向、横风向和扭转向均方根风力系数及功率谱的变化规律,研究结果表明：结构顺风向、横风向和扭转向均方根风力系数均随着试验风速和扭转振幅的变化而变化;结构顺风向阻力系数随着扭转振动振幅的变化主要是由于结构顺风向气动力的变化引起,而其横风向和扭转向风力系数随着扭转振动的变化包含了气动力变化与结构气动弹性效应两部分。对于高层建筑来说,应考虑扭转振动引起的结构三维气动力的变化以及结构横风向和扭转向气弹效应。     

斜置拉索表面脉动风力特性研究

采用一套可调节拉索模型倾角和风向角的试验装置,通过同步测压风洞试验,测得了三维拉索（考虑了拉索的倾角和风向角）表面的脉动风压分布。风洞试验考虑了风向角和Re数的影响,试验风向角为0～45°,试验 Re数为1.17×105 和2.34×105,两种Re数分别处在亚临界区和临界区内。通过进一步的分析,得到了两种Re数下风压功率谱、脉动风力和风力功率谱随风向角的变化情况。研究表明：随着风向角的增大,斜拉索的Strouhal数逐渐减小;当Re数进入临界区后,拉索的脉动风压分布和脉动风力将发生很大变化     

平面尺寸对矩形高层建筑极值风压影响的研究

为探索平面尺寸对矩形截面高层建筑表面极值风压分布的影响,对长宽比为1～9的建筑进行了风洞测压试验及后续的脉动风压极值分析,研究了正交风向下不同长宽比建筑各表面极值风压的分布特点,并与我国荷载规范的计算值进行了比较,探讨了全风向角下极值风压包络值在各表面的分布状况及随平面尺寸的变化规律。结果表明,平面尺寸对背风面和侧风面影响较显著,总体而言较小长宽比对极值负压更为不利;我国荷载规范对侧风面和背风面围护结构的风压取值存在诸多偏于不安全的情况。考虑全风向最不利状况的极值风压包络值在墙面分布及随不同平面尺寸变化上均呈现更简单的规律,直接基于包络值分布提出的矩形建筑围护结构风压的取值方法,具有既简便又能更好反映实际风压分布及随平面尺寸变化的特点。     

矩形截面高层建筑气动基底扭矩系数均方根值研究

利用高频天平技术,在4种不同风场中对71种不同几何参数的矩形截面高层建筑刚性模型进行了风洞试验,得到了典型风向角下气动基底扭矩系数均方根值,考察了建筑厚宽比、长细比及建筑所处风场类型对气动基底扭矩系数均方根值的影响。不同厚宽比的矩形建筑的气动扭矩的作用不同,试验结果表明厚宽比对气动基底扭矩系数均方根值的影响很大;长细比不同导致的基底扭矩系数均方根值的差异主要是由模型顶部三维流的比重变化引起的,试验结果显示长细比的影响可以忽略不计;风场类型对基底扭矩系数均方根值的影响强弱随厚宽比的变化而变化。基于试验数据,拟合得到了矩形截面高层建筑的气动基底扭矩系数均方根值的经验公式,并对其进行了误差分析。通过与国内外相关研究成果的比较,验证了该拟合公式的精度与合理性,可以为荷载规范的修订和补充提供很好的参考。     

大跨屋盖风荷载的频域特性试验研究

在大气边界层风洞中通过模拟大气边界层风场对广州国际会展中心模型进行测压试验,获得了测点的在36个风向角下的风荷载。对风荷载的功率谱、相关系数、相干函数进行了细致分析,讨论了风场对脉动风压频域特性的影响。得出一些结论：脉动风压功率谱表现很强的漩涡脱落特征,其斯脱罗哈数约为0.295;测点风压相关系数横风向强于顺风向,均随着测点间距的增大而减小,并且边缘区域测点的相关性高于中间区域测点;测点风压的相干系数随着测点距离的增大而减小,且顺风向高于横风向。     

格构式塔架横风向脉动风荷载空间相关性研究

为了研究格构式塔架横风向脉动风荷载的空间相关性,基于某实际格构式塔架2个典型节段模型同步高频测力天平风洞试验和同步风速测试风洞试验,测得了模型基底剪力、弯矩和风速时程,通过数据处理方法得到了其横风向脉动风荷载及脉动风速的相干函数。在此基础上,分析比较了脉动风荷载及脉动风速的相干函数特点与变化规律。结果表明:格构式塔架横风向风荷载相干函数与频率,水平距离和竖向距离均有关;格构式塔架横风向风荷载相干函数与现有高层建筑及锥形烟囱等结构的结果存在一定差别。最后,运用非线性最小二乘法拟合得到了脉动风荷载相干函数经验公式,拟合公式与试验结果较吻合,可为分析格构式塔架横风向风荷载及风致响应提供一定的参考。     

外附网架对高层建筑主体结构风荷载的影响

基于刚性模型的高频天平测力风洞试验,对一外附网架的超高层建筑的基底弯矩和扭矩特性进行了分析,详细讨论了复杂的周边建筑环境和外附网架对近似椭圆形截面目标建筑的整体气动力特性的影响。研究结果表明,复杂周边建筑对目标建筑的气动力均值的影响主要表现为遮挡效应,但在一定条件下可能放大目标建筑所受到的脉动气动力;建筑两侧面绕流区的外附网架所受切向气动力使建筑顺风向气动力均值及脉动值增大,增大的程度与阻挡气流绕流的外附网架面积大小相关;外附网架对建筑表面粗糙度的改变使建筑两侧气流的旋涡脱落强度削弱,导致横风向脉动气动力减小,但对横风向脉动气动力均值没有影响;周期性旋涡脱落引起的外附网架上的脉动风力将部分抵消主体结构上的涡激力脉动导致的结构气动扭矩脉动值,对气动扭矩均值没有明显影响。这些结论为高层建筑的设计提供了参考。     

典型输电塔塔头风力特性试验研究

应用高频测力天平技术,对两种典型格构式输电塔塔头模型进行了不同紊流度下的风洞试验,得到了结构各个方向受到的风力系数的平均值和根方差。讨论了风力系数随风向的变化规律,以及紊流度和塔头外形对风力的影响。结果表明,两种输电塔塔头的平均风力以顺风向风力为主,而顺、横风向和扭矩向脉动风力都较大;紊流场对塔头模型平均力系数影响很小,基本可以忽略。相关性分析表明,塔头结构顺-横、顺-扭风向脉动风力的相关性很小,横-扭风向存在一定的相关性,风向和风场对相关性有一定的影响。谱分析表明,塔头结构顺风向主要表现为来流紊流激励,横风向力谱可能存在复杂的激励机制,扭转力谱是典型的宽频谱,来流紊流与涡脱激励是产生扭转力的主要原因。     

强风下方截面高层建筑横风向气动阻尼比研究

该文设计了一种质量和结构阻尼比可调的底部弹性支撑刚性体的双向摆式气弹模型,并通过气弹模型风洞试验获得模型顶部加速度响应时程。运用改进的随机减量技术,识别了湍流场中强风下方截面高层建筑横风向气动阻尼比。分析了风场类别、结构阻尼比、均匀当量质量以及模型高宽比对横风向气动阻尼比随折算风速变化规律的影响。最后提出了横风向气动阻尼比的经验公式,并将引入气动阻尼比后的横风向响应计算值与气弹模型风洞试验测量值比较,证明了该气动阻尼比经验公式的正确性和实用性。     

爆破拆除烟囱倒塌过程中风效应影响研究

在烟囱爆破拆除倒塌过程中,不同形式的风可使烟囱产生顺风向效应及横风向效应。横风向效应又包括横风向旋涡脱落及共振效应、横风向空气动力失稳。烟囱在风的长期作用下会发生失稳倾斜。本文揭示了爆破拆除过程中烟囱由于风振影响而发生倾斜、失稳的机理,分析了不同风向的三类风效应对爆破拆除时烟囱倒塌方向发生偏移的影响。根据分析计算结果可得,纵向风振影响最为显著,静力风效应影响相对较小,横向风振产生影响随机性较强。同时作者得出了爆破拆除烟囱时考虑风效应影响需采取的相应技术手段和措施。     

多回路高压输电塔典型横担结构风力系数风洞试验研究

应用高频测力天平技术,对多回路高压输电塔典型横担模型进行了不同紊流度下的风洞试验,研究了其风力特性。结果表明风场对横担结构的平均风力系数影响较小,静风力主要以顺风向风力为主,而顺、横风向和扭矩向脉动风力值都较大,不能忽略。横担阻力系数0°风向附近取值最大,随风向基本呈单调递减趋势。通过对比不同模型升力系数可以发现,升力系数取值与横担的长度有关,横担越长,横风向升力系数越大。不同规范中给出阻力系数与本文试验结果较为接近,但需要注意的是,相关格构式结构规范均未考虑横、扭风向风力对结构的影响。通过相关性分析可以看到,横担基底剪力与扭矩相关性很小,风场对相关性有一定的影响。     

斜拉索风雨振非平稳风场特性分析

基于小波多尺度分析,提取风雨振实测风速、风向的时变平均值,并建立非平稳风速模型。采用非平稳风速模型,分析了洞庭湖大桥2003年4月初风雨振时实测风速紊流强度、积分尺度、脉动风谱和概率密度等重要风场特性,并将结果与传统的平稳风速模型和基于EMD的非平稳风速模型进行比较,进一步验证采用基于小波分析的非平稳风速模型的合理性。同时,根据Davenport相干系数公式,计算了桥塔和桥面风速记录顺风向脉动风分量的相关性。     

扇形覆冰导线气动力特性及驰振不稳定性研究

采用刚性节段模型高频天平测力风洞试验测试了不同紊流度下的8种扇形覆冰导线气动力,依据DenHartog驰振机理分析了扇形覆冰导线的横风向驰振不稳定性,讨论了覆冰厚度、覆冰角度、紊流度对平均气动力特性及横风向驰振不稳定性的影响。结果表明：覆冰厚度的增大增强了气动升力,不同覆冰角度模型平均气动力系数随风向角的变化规律差别较大,紊流度的增高有助于减小覆冰导线承受的平均气动力;8种扇形覆冰导线在不同风向角下均有发生横风向驰振的可能,覆冰角度对驰振不稳定风向角位置及范围有较大影响,紊流度的增加提高了可能的驰振临界风速,因此高紊流度对驰振有一定的抑制作用。     

国家体育场大跨度屋盖结构风场实测研究

通过自主开发的基于无线传感技术的土木工程结构风场实测系统,对国家体育场大跨度屋盖上的风速风向进行了监测,获得了屋盖上的风场实测数据。经过对实测数据的分析,得到了平均风速和风向、阵风系数、湍流度以及脉动风速功率谱等风特性参数,分析结果表明大跨度屋盖上风场与自然来流特性存在较大差别,表现为非高斯特性明显﹑湍流度较大﹑脉动风速功率谱在较高频率处达到峰值﹑空间上不同点脉动特性相关度较弱;本文从实测角度上证明了大跨度屋盖结构不适用准定常假定     

海边坡角可调试验房风荷载现场实测研究

在东海边上海浦东国际机场附近建造了一栋坡角可调的低矮房屋及测风塔,以对海边附近的风场特性及低矮建筑屋盖表面风压特性进行研究。该变坡房最大特点是屋盖坡角可以在0～30°之间自由调节,以便分析坡角变化对屋盖表面风压的影响。本文首先分别对0°、10°及20°屋盖坡角下选取的10分钟风压时程信号进行了分析,并与1:30刚性测压风洞试验相应结果进行了对比,表明屋盖表面平均及脉动风压分布与风洞试验结果吻合较好。其次,对风速、风向角的平稳性及其之间的相关性进行了分析,说明风速与风向角之间耦合作用明显,尤其竖向风向角对风速脉动影响较大,时间滞后为0时两者之间相关系数接近-0.5。最后,对屋盖表面风压信号的非高斯特性进行了研究,发现偏度与峰度之间具有较好的线性关系,并给出了0°、10°及20°屋盖坡角下偏度与峰度的线性拟合公式。     

马鞍屋盖表面面积平均风压特性研究

为完善我国建筑荷载规范中有关围护结构和覆面材料的设计,本文提出了面积平均风压的概念。通过刚性模型风洞测压试验,研究了马鞍屋盖表面的面积平均风压特性。⒈ 以锥形涡为引,确定各矢跨比马鞍屋盖表面出现锥形涡的来流工况,以涡核吸力和涡核互相关性为依据,确定了马鞍屋盖的最不利风向为沿高点连线方向。⒉ 在一定附属区域内对单点风压进行集合,得到面积平均风压（时程）;在马鞍屋盖表面实行各种分区,探讨了最不利风向下各面积平均风压时程的峰值吸力随附属面积的变化趋势,得到了相应的拟合公式;通过各区域内单点风压时程的累积概率分布,验证了该拟合公式的准确性与有效性;根据偏度和峰度值大小,分析了面积平均风压时程的非高斯特性,并与单点时程的风压特性进行了比较,结果表明面积平均风压时程曲线中风压脉动分布均匀,高频脉动减少,因而其非高斯特性并不如单点突出,且普遍偏向高斯分布     

广州西塔气动荷载特性及风致响应研究

摘 要：以432米高的广州西塔的刚性模型多点同步测压风洞试验为背景,研究该超高层建筑结构气动荷载的竖向相干特性,采用相干函数方法(CFM)计算并替代气动力谱矩阵的互谱密度进行风致响应计算。结果显示,当经验指数式相干函数的指数衰减因子取6~8时,顺风向响应与精确结果较吻合,但在横风向上差别则比较明显。文中进一步计算了结构参振模态数目对西塔风振响应计算结果的影响,结果表明：忽略高阶模态对结构顺风向的层间位移角响应的影响较大、最大可产生9%的误差,但对结构横风向响应影响则很小,这意味着西塔风振响应仍由基阶模态控制。文中针对超高层建筑横风向响应估算的可行方法进行了讨论和建议。